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呼吸作用对植物光合作用和异戊二烯释放调节机理的研究

时间:2013-01-23  作者:贾凌云,孙坤,冯汉青,李岩,薛薇,董欢欢

论文导读::将杨树叶片置于持续的光照下增加了其光合速率和异戊二烯的释放水平。持续的光照也诱导了总呼吸、细胞色素途径和交替呼吸途径容量的增加。用细胞色素途径和交替呼吸途径的抑制剂氰化钾和水杨基氧肟酸降低了光照下叶片的光合速率和异戊二烯的释放水平,也导致了光系统II的光化学有效量子产量和光化学淬灭系数的降低。这些结果表明了呼吸作用可能有助于光合作用的正常运行和光照下植物异戊二烯的释放。
论文关键词:交替呼吸途径,细胞色素途径,异戊二烯,光合作用
 

尽管只有部分植物种类都能释放异戊二烯,但异戊二烯是植物向大气中释放的最主要的挥发性化合物[1]。异戊二烯的释放对植物自身起着重要的保护作用,可降低高温和强光等环境因素对植物造成的氧化压力。并且,异戊二烯在植物开花等生理学过程中也扮演着重要的角色[2]

异戊二烯的释放很早就被发现受到了光照的诱导,表明了异戊二烯的释放依赖于光合作用。此后,利用同位素等技术证实了植物合成异戊二烯的底物和能量均来自于是光合作用,并通过叶绿体中的甲基苏糖醇磷酸酯(MEP)途径合成[3]

随着植物生理学研究的深入,人们认识到,光合作用的运行并不仅依赖于光合作用自身,也需要其他代谢路径的配合。最近的研究发现,光合作用和呼吸作用之间存在着紧密的联系:呼吸作用在光照下会明显上升;呼吸作用的运行能够优化光合作用;呼吸作用也能为叶绿体的早期发育提供部分能量和底物[4~7]。因此,从理论上讲,如果异戊二烯的释放依赖于光合作用,那么它也可能受到了呼吸作用的调节。遗憾的是,目前关于呼吸作用是否能够影响异戊二烯释放的研究仍然较少,这限制了人们对植物异戊二烯释放机理更加深入和全面的认识。

在高等植物中生物论文,呼吸电子传递中的电子流主要通过细胞色素途径(cytochrome pathway) 传递;同时,植物线粒体电子传递链中也具有另一条呼吸途径–––交替呼吸途径(alternative pathway)。交替途径的存在可以使得电子从呼吸电子传递链的泛醌处分支,绕过呼吸链中的复合物III和复合物IV,直接将氧还原成水[8]。最近的研究发现,细胞色素途径和交替途径均在优化光合作用中扮演着重要的角色 [9]。然而,目前国内外有关呼吸作用对光合作用调节的研究多集中于非异戊二烯释放的植物种类中,使得人们对光合作用过程中异戊二烯释放与呼吸作用之间的关系缺少了解。基于此,本研究在杨树(典型的异戊二烯释放型植物)叶片中调查了呼吸作用对异戊二烯释放、光合作用和叶绿素荧光参数的影响,探讨了呼吸作用对异戊二烯释放可能的调节机理。相信该研究有利于进一步丰富人们对植物异戊二烯释放内在机理的认识,对进一步了解植物代谢途径之间的相互联系也具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1植物材料与处理

多年生的白杨树(36.056°N, 103.440° E, 海拔1542米)在夏季清晨切取向阴生长的枝条,立刻将茎部浸入蒸馏水中并转至培养室(光照1000 lux,温度30°C),使其在培养室中适应环境2小时左右,从相同位置选取大小一致且完全伸展的叶片作为实验材料。

将枝条切下的叶片放置于盛有缓冲液((50 mM HEPES-KOH pH 7.2, 0.5 mM CaSO4 和20 mM NaHCO3)的培养皿中,进行真空渗透1小时。第一组叶片缓冲液中含有1 mM SHAM (水杨基氧肟酸);第二组叶片缓冲液中含有0.5 mM KCN (氰化钾);第三组叶片缓冲液中同时含有1 mM SHAM和0.5 mM KCN龙源期刊。以不含抑制剂的缓冲液处理作为对照。渗透结束后,将叶片从培养皿中取出,清洗并吸去叶片表面残余的缓冲液。将叶柄浸入上述缓冲液中,并将叶片置于持续的光照下 (40000 lux),分别在光照1、2、3和4小时后取样测定参数。

2叶片的光合作用、叶绿素荧光参数和异戊二烯释放的检测

叶片光合作用通过使用英国PP Systems的TPS-2光合仪测定。叶绿素荧光参数使用德国PAM叶绿素荧光仪测量:在上述光照强度下,当光合作用达到稳态时得到荧光参数Fs;再给叶片一个饱和脉冲光后得到PSII中心关闭时光下最大荧光参数Fm',通过公式(Fm'-Fs)/Fm'得到该作用光下PSII的实际光合效率(ФPSII)。利用远红光脉冲得到荧光参数Fo', 分别依据公式(Fm'-Fo')/Fm'和(Fm'-Fs)/(Fm'-Fo')计算该光照强度下PSII的光合效率(Fv'/ Fm')和光化学猝灭系数(qP)。异戊二烯释放的检测依据Zeidler和Lichtenthaler描述的方法进行[10]。实验结果为至少3次测量的平均值。

3叶片呼吸参数的测定

叶片称重后切成小块并放置于测量杯中。依据Bingham和Farrar的方法使用Clark型氧电极 (中国科学院植物生理与生态研究所制)测量和计算总呼吸、交替呼吸途径和细胞色素途径的最大容量[11]。实验结果为至少3次测量的平均值。

2 结果分析

2.1光照对杨树叶片呼吸的影响

在光照1小时后,叶片总呼吸速率为0.41 μmolO2 g-1FW min-1。持续的光照诱导了总呼吸速率的增加,在光照4小时后,总呼吸速率达到了0.63 μmolO2 g-1FW min-1,增加了1.5倍。细胞色素途径和交替呼吸途径容量也随着光照时间的延长而增加。在光照4小时过程中,细胞色素途径增加幅度较小,增加了1.3倍;交替呼吸途径容量增加幅度最大,增加了2.4倍(图.1)。

交替呼吸途径

图.1 光照对总呼吸(total respiration)、交替呼吸途径容量(alternative pathwaycapacity)和细胞色素途径(cytochtome pathway capacity)的影响。

Fig. 1. The effect of illumination on the total respiration, capacities of the alternative and cytochrome respiratorypathways of poplar leaves.

2.2光照和呼吸抑制剂对异戊二烯释放的影响

黑暗下的叶片没有检测到异戊二烯的释放。当叶片置于1小时的光照下,我们检测到了叶片异戊二烯的释放,且异戊二烯的释放水平随着光照时间的增加而增加。为了研究呼吸及不同的呼吸途径是否会对光照下异戊二烯的释放造成影响,在光照前,我们分别用1.0 mM SHAM (水杨基氧肟酸,交替呼吸途径抑制剂)和0.5 mM KCN (氰化钾生物论文,细胞色素途径抑制剂) 处理了杨树叶片,这些呼吸抑制剂的浓度已被报道不会对光合作用等其他代谢造成影响 [7] [9]。实验结果表明,1 mM SHAM和0.5 mM KCN分别能够对交替呼吸途径和细胞色素途径造成大约66%和68%的抑制;而1mM SHAM和0.5mM KCN复合处理能够抑制大约85%的总呼吸。且抑制率在光照4小时内基本保持稳定(表.1)。

 

 

 

抑制率(%

1 2 3 4 (hours)

1 mM SHAM对交替途径抑制率

63.3%

67.6%

65.3%

66.7%

0.5 mM KCN对细胞色素途径抑制率

70.2%

66.8%

63.9%

72.5%

1 mM SHAM和0.5 mM KCN对总呼吸抑制率

84.3%

87.6%

88.6%

79.6%

表.1 光照下呼吸抑制剂对呼吸途径的抑制率。以无抑制剂处理叶片的呼吸速率作为100%。

Table.1 In vivoinhibition of respiration pathways by the respirtion inhibtors. Oxygen uptakeby leaves in the absence of any inhibitors was denoted as the 100% value.

在前3小时光照下,尽管呼吸抑制剂的处理不同程度地降低了叶片异戊二烯释放的水平,但并没有对叶片异戊二烯的释放造成显著性的影响。而在4小时光照后,尽管SHAM和KCN的单独处理没有导致异戊二烯释放水平显著性地降低,但SHAM和KCN的复合处理显著性地降低了叶片异戊二烯的释放水平(图.2)。

交替呼吸途径

图.2 光照和呼吸抑制剂对异戊二烯释放的影响。星号代表与对照间存在显著性差异(P < 0.05)

Fig. 2. The effects of illumination and respiration inhibitors on isopreneemission of poplarleaves.

The asterisk indicates astatistically significant difference from control (P < 0.05).

2.3光照和呼吸抑制剂对光合作用的影响

光照下异戊二烯的释放依赖于植物的光合作用。为了进一步研究呼吸对异戊二烯释放影响的内在原因,我们调查了呼吸抑制剂对光照下光合作用的影响。在4小时的光照过程中,叶片的光合速率有着一定程度的上升。和呼吸抑制剂对异戊二烯释放影响的实验结果相似,在前3小时光照下,呼吸抑制剂并没有显著性地影响叶片的光合速率。在4小时光照后,SHAM和KCN的复合处理显著性地降低了叶片光合速率的水平(图.3)。

 

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